电子束偏转与聚焦试验中

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1、电子束的偏转与聚焦实验亠、实验目的1、 了解示波管的构造和工作原理，分析电子束在匀强电场和匀强磁场作用下的偏转 情况；2、学会使用数字万能表和聚焦法测量电子荷质比的方法。二、实验原理1、示波管的结构示波管又称为阴极射线管，其密封在高真空的玻璃壳之中，它的构造如图1所示，主要包括三个部分：前端为荧光屏，（S,其用来将电子束的动能变为光），中间为偏转系统（丫 ：垂直偏转板，X:水平偏转板），后端为电子枪（K:阴极,G:栅600-100 OV极，2、电聚焦原理在示波管中，阴极被加热发电子射线束的聚焦是电子束管必须解决的问题。射电子，电子受阳极产生的正电场作用而加速运动，同时又受栅极产生的负电场 作用

2、只有一部分电子能够通过栅极小孔而飞向阳极。栅极G的电压一般要比阴极K的电压低20100V,由阴极发射电子，受到栅极与阴极间减速电场的作用,初速度小的电子被阻挡，而那些初速度大的电子可以通过栅极射向荧光屏。所以调节栅极电压的高低可以控制射向荧光屏的电子数，从而控制荧光屏上的辉度。当栅极上的电压负到一定的程度时，可使电子射线截止，辉度为0。加速电极的电压比阴极电位高几百伏至上千伏。前加速阳极，聚焦阳极和第二阳极是由同轴的金属圆筒组成。由于各电极上的电压不同，在它们之间形成了弯曲的等势面、电场线。这样就使电子束的路径发生弯曲， 这类似光线通过透镜 那样产生 了会聚和发散，这种电器组合称为电子透镜。改

3、变电极间的电压分布， 可以改变等势面的 弯曲程度，从而达到电子束的聚焦。3、电偏转原理在示波管中，电子从被加热的阴极 K逸出后，由于受到阳极电场的加速作 用，使电 子获得沿示波管轴向的动能。令 Z轴沿示波管的管轴方向从灯丝位置指 向荧光屏；同时， 从荧光屏上看，令 X轴为水平方向向右，丫轴为垂直方向向 上。假定电子从阴极逸出是初 速度忽略不计，则电子经过电势差为 U的空间后,eU 电场力做的功eU应等于电子获得的动能显然，电子沿Z轴运动的速度Vz与第二阳极 A的电压U2的平方根成正比，即Vz （2）若在电子运动的垂直方向加一横向电场，电子在该电场作用下将发生横向偏转，如图2所示。若偏转板板长为

4、I、偏转板末端到屏的距离为 L、偏转电极间距离为d、轴 向加速电 压（即第二阳极 A电压）为U2,横向偏转电压为 Ud，则荧光屏上光点 的横向偏转量D 由下式给出：（3）图2由式（3）可知，当U2不变时，偏转量 D随Ud的增加而线性增加。所以，根 据屏上 光点位移与偏转电压的线性关系，可以将示波管做成测量电压的工具。若改变加速电压U2，适当调节U1到最佳 聚焦，可以测定 D-Ud直线随U2改变而 使斜率改变的情况。4、磁偏转原理电子通过A2后，若在垂直Z轴的X方向外加一个均匀磁场，那么以速度v飞越子电子在丫方向上也会发生偏转，如图所示。由于电子受洛伦兹力F=eBv作用，F的大小不变，方向与速度

5、方向垂直，因此电子在F的作用下做匀速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，即有eBv=mv2/R,所以mvzeB电子离开磁场后将沿圆切线方向飞出，直射到达荧光屏。在偏转角？较小的情况下，近似的有式中，I为磁场宽度，D为电子在荧光屏上亮点的偏转量（忽略荧光屏的微小弯曲），L为从横向磁场中心到荧光屏的距离。由此可得偏转量 D与外加磁场B、加速电压U2等的关系为D = I BL_2mU(6)实验中的外加横向磁场由一对载流线圈产生，其大小为式中，为真空中的磁导率，n为单位长度线圈的匝数，I为线圈中的励磁电流K为线圈产生磁场公式的修正系数（0: K空1）由此可得偏转量 D与励磁电流I、加速电压U2等的关系为当励

6、磁电流I （即外加磁场B）加确定时电子束在横向磁场中的偏转量D与屏速电压U2的平方根成反比。（8）5、磁聚焦和电子荷质比的测量原理 带点粒子的电量与质量的比值叫荷质比，是带电微观 粒子的基本参量之一。 测定荷质比的方法很多，本实验采用磁聚焦法当示波管放置在一个通电螺旋管内时，沿示波管轴线方将有以均匀分布的磁场，其磁感应强度为B。经阳极小孔射出的细电子束流将沿轴线作匀速直线运动。电子运动方向与磁场平行，故磁场对电子运动不产生影响。电子流的轴线速率为2eU2 R电子束0式中，e, m分别为电子电荷量和质量。若在一对偏转极板RDC丫上加一个幅值不大子轴向速度分量 V/的影响，则电子在磁场的洛伦兹力F

7、的作用下（该力与v垂直），在垂直于轴线的平面上作圆周运动，即该力起着向心力的作用，V，v越大轨道半Be / m2F=ev B=m v /R，由此可得到电子运动的轨道半径径亦越大，电子运动一周所需要的时间（即周期）为RT2-v. m这说明电子的旋转周期与轨道半径及速率v_无关。若再考虑v的存在，电子的运动轨迹(11)不同半径应为一螺旋线。在一个周期内，电子前进距离（称螺距）为u丁2n)2mU由于不同时刻电子速度的垂直分量V度不同，故在磁场的作用下，各电子将沿的螺线前进。然而，由于他们速度的平行分量v均相同，所以电子在做 螺线运动时，它们从同一点出发，尽管各个电子的v各不相同，但经过一个周期后，它

8、们又会在距离出发点相距一个螺距的地方重新相遇， 本原理。由式（11）可得这就是磁聚焦的基e m 二 8 2Jh2B2（长直螺线管的磁感性强度 B，可以由下式计算:oNI(13)L2 D2将式（13）代入式（12），可得电子荷质比为:e m = 8 二 2a(L2D2) (%Nlh)2(14)(15)式中82(L2 D2)(%Nh2本实验使用的电子束实验仪，k=4.8527 10 8三、实验仪器EB 川电子束实验仪、直流稳压电源、数字万能表、四、实验步骤1、开启电子束实验仪电源开关将“电子束一荷质比”选择开关打向“电子束”位置，面板上一切可调旋钮都旋至中部，此时在荧光屏上能看到一亮斑。适当调节辉

9、度，并调节聚焦，使屏 上光点聚成一圆点。(主：光点不能太亮，以免烧坏 荧光屏)2、光点调零X轴调节调节“X轴调节”和“ X轴调零”旋钮，使光点位于 X轴的中心圆点，且左、右偏转的最 大距离都接近于满格。丫轴调节 用数字万能表电压档接近于“丫偏电压表” +、-两端，缓慢调 节“ 丫轴调节”旋钮使数字万能表读数为 0,然后调节“丫轴调零”旋钮使光点 位于丫轴的中心原点。3、测量D随Ud的变化调节阳极电压旋钮，取定阳极电压 U2=700V,用数字万能表分别测出 D= 士 5, 士 10，士 15, 士 20mm 时的Ud (垂直电压)值列表记录。再取 U2=900V，再测D为上述值时的Ud值记录表中

10、。4、测量偏转量D随磁偏转电流I的变化使亮光点回到丫轴的中心原点，取U2=700V ,用数字万用表的mA档测量 磁偏转电流。列表记录D=5 , 10, 15, 20mm时的磁偏转电流值，然后改变磁偏 转电流方向，再测 D=-5 , -10, -15, -20mm时的磁 偏转电流值。再取 U2=900V ,重复前面的测量。5、电子荷质比一的测量m把直流稳压电源的输出端接到励磁电流的接线柱上，电流值调到0,将“电子束一荷质比”开关置于“荷质比”位置，此时荧光屏上出现一条直线，阳极电压调到700V。此时若线较暗，则可将“辉度”旋钮顺时针增大至刚好能看清竖直亮线为止；在增大邙日极电压”至1000V位置

11、。若能达到1000V位置，则可 固定“辉度”旋钮，开始正式测量。(1) 开始测量e/m,逐渐加大励磁电流使荧光屏上的直线一边旋转一边缩短，直到变成一个小亮点，读取电流值，然后将将电流调回零。再将电流换向开关板到另一方，重新从零开始增加电流使屏上直线反方向旋转缩短，直到再得到一个小亮点，读取电流值。取其平均值，以消除地磁等的影响。(2) 改变阳极电压为 800V,900V,1000V 重复步骤(1)五、数据处理1、电偏转700/VVd/v-15.02-11.24-7.75-3.9703.67.5511.3115.24D/mm20151050-5-10P-15-20900/VVd/v-18.98-

12、14.6-9.49-5.3805.399.814.8720.64D/mm20151050-5-10P-15-20(1)当阳极电压700V时的DVd图像如图EE2脾ParameterValueError9.06035 -1.3220.006182E.AT505fOF5A0Vd/V如图可知其斜率为-1.3222mm/v(2)当阳极电压为900V时Y = fi + B1 *XParanpterUalueErrorA0.252930,15228ia-1,011710,01194# I QwVd/V如图可型斜率为-1.01171D/mm2、磁偏转700/VI/mA71.352.735.8517.9301

13、5.4931.8350.467.3D/mm20151050-5-10-15-20900/VI/mA72.651.737.7217.86017.6139.454.771.2-10|-15| -20| D/mm |20|15|10|50|-5|(1)当阳极电压700V吋的Dl/mA图像如图D/mmV = A + B1 * XParaneterUalueErrorA0.119350.09283B10.288230.00221/mA如图可知斜率为0.28823(2)当阳极电压900V时的D 1/mA图像如图D/mmV ft + B1 X2015ParameterUalueErrortoA0.09736

14、0.32801B18.278330.00711武fr0-10 010ZD304050607090l/mA如图可知斜率为 0.27833得出结论阳极电压越高，曲线的斜率越小3电荷质I电压电流700V800V900V1 ooovI正1.41.541.621.72I反1.421.521.581.77I平均1.411.531.61.745e/m/C/kg1.708611 x 10/ c111.658405X 10/ J11.706027X 101.593649X 10e/m 平均 /C/kg1.666673 X1011& /%5.24六、思考题1、在测量荷质比时，地磁场对测量结果有影响吗？如果有，能否

15、消除或将 答：由于地球也存在磁场，电子的质量非常小，因此地磁场对测量结果有影 旋转取平均值来消除地磁场的影响。其影响减至最小？响。本实验是通过从两个方向2、电子束偏转与聚焦实验中，偏转量的大小与光点的亮度是否有关么？答：有关，偏转量会影响聚焦大小，也就是说电子打在荧光屏的数目和汇 亮度。？为什聚的集中程度，从而影响光点的3、在电子束的偏转与聚焦现象中而转动丫轴调节光点会上下移动为什么在接入万用表之前光点不会移动答：因为万用电表的 mA档测量磁偏电流时插入磁偏电流的孔，相当于使产生磁场的电路通路，这时调节磁偏调节光点才动。之前万用电表V档测Ud时,万用电表接在X或丫正负两端，产生磁场的电路断开，

16、不产生磁场调节磁偏调节光点不动。七、实验感悟这次的实验我感觉自己收获很多，同时也让我发现自己有一些做实验的不好的习惯，由于刚开始对于导线的连接问题，由于以前没有接触过导线相关的连接，对于一些基本常识还不知道，不过我很感谢 老师发现了并指出我的错误，也许是我的幸运，同时也让我知道了一些导线的使用方法毕竟在实验这方面动手操作的机会还是很少的。这次的实验原理比较易!I,由于在高中的时候学过相关的知识， 主要是操作问题，以前只有理论，没有操作，再动手方面有点生疏，万能 表 的运用也不太会，不过熟悉一下也就可以了，这个实验的不好操作的地方就是对于光点的观测，由于视角的不同观测的光点的位置有可能不准引起的误差就比较大这个也是在看个人观测的时候的仔 细程度问题，不过实验测数据较顺利，只不过对于测调仪器的时候还是缺少一点耐心这个我会加强锻炼的